Виды бета-распада

Вид распада	Схема распада	Энергетическое условие распада
–		
+		
K-захват		

Примечание. A – массовое число; z – зарядовое число (порядковый номер в периодической таблице элементов); Х и Y – символы химических элементов; М – масса ядра; m_e – масса электрона; v и – символы нейтрино и антинейтрино.

Бета-частицы рождаются при радиоактивном распаде, причем бета-распад – процесс внутринуклонный, при котором в ядре распадается один нуклон.

В результате электронного бета-распада активным является свободный нейтрон, распадающийся на протон, электрон и антинейтрино. При этом исходное ядро превращается в новое ядро, масса которого остается прежней, а заряд увеличивается на единицу:

.

Позитронный бета-распад приводит к образованию ядра с прежней массой и зарядом, уменьшенным на единицу. При позитронном распаде в ядре распадается одиночный протон с образованием нейтрона, позитрона и нейтрино:

.

Позитрон стабилен, но в веществе существует лишь короткое время (доли секунды) из-за аннигиляции с электронами.

При электронном захвате ядро поглощает один из электронов, расположенных на внутренних орбитах атома (чаще K-слоя).

.

Место захваченного электрона сразу же занимается электроном с более высокого уровня, при этом испускается рентгеновское излучение. Таким образом, при всех видах бета-распада массовое число A остается без изменения, а зарядовое число Z отличается от исходного на Z = 1.

Типичные представители бета-активных ядер: калий-40, стронций-90, цезий-137 (первый из них – естественного происхождения, два других – результаты аварии на Чернобыльской АЭС).

Схема распада приведена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Схема распада изотопа калия-40

Его период полураспада (Т_1/2 = 1,4  10⁹ лет) сравним со временем жизни солнечной системы (~4,6  10⁹ лет). Главный канал распада (его доля 88,8%) – электронный бета-распад в основное состояние с граничной максимальной энергией Е₀ = 1321 кэВ.

На долю K-захвата приходится 11% распадов и на долю позитронного распада – 0,16%. Содержание изотопа в природном калии составляет 0,012%, а удельная бета-активность природного калия около 310⁴ Бк/кг.

Ядра цезия-137, наряду с бета-частицами, испускают гамма-кванты с энергией 661 кэВ (рис. 7.2).

Стронций-иттриевый источник является чистым бета-излучателем; он содержит два компонента с граничными максимальными энергиями 546 кэВ и 2274 кэВ соответственно (рис. 7.3).

Рис. 7.2. Схема распада ядра Рис. 7.3. Схема распада ядра

цезия-137 стронция-90

Бета-радиометрия имеет свои особенности. Они обусловлены непрерывным энергетическим спектром бета-частиц и небольшой длиной пробега в жидких и твердых веществах.

Из-за непрерывного спектра для идентификации бета-излучателя необходимо измерить энергетическое распределение бета-частиц и построить график Ферми – Кюри для определения граничной энергии Е₀. С этой целью применяются бета-спектрометры – приборы сложные и дорогие. Поэтому для радиометрии типична ситуация, когда заранее известны возможные распадающиеся элементы и нужно измерить удельную активность (Ки/кг и Ки/л) или поверхностную активность (частиц/(см²  с); Ки/км²) для конкретного изотопа. Измерение активности может быть выполнено абсолютным или относительным методом (см. лаб. раб. № 5). Абсолютный метод требует знания довольно большого числа поправочных коэффициентов и специально изготовленного источника (проводятся в условиях сферической геометрии). В относительном методе применяются эталонные источники с известной удельной активностью выбранного изотопа, по составу, весу и форме близкие к изучаемой пробе.

Пробег бета-частиц с непрерывным энергетическим спектром может характеризоваться величиной максимального пробега R_max (минимальная толщина поглотителя, при которой полностью задерживаются все бета-частицы). Потери энергии бета-частиц пропорциональны числу n электронов в единице объема вещества, а величина n = N_A Z / A (где N_A – число Авогадро; Z – атомный номер; А – массовое число; ρ – плотность) и примерно одинакова для слоев вещества разной толщины, но одинаковой массы.

Поэтому толщину поглотителя (и пробеги) принято выражать значением массы на единицу площади (г/см²). Обычно измеряют максимальный пробег бета-частиц для алюминия (R_A1); для другого вещества R = R_A1(Z / A)_A1 / (Z/A). Между граничной энергией (R_max, г/см²) бета-спектра и максимальным пробегом (Е_max, МэВ) имеются эмпирические соотношения, например:

, (7.1)

где 0,05  Е_max  3 МэВ.

Представление о толщинах алюминиевых поглотителей, задерживающих бета-частицы с различными Е_max, дает табл. 7.2.

Таблица 7.2